CN109470237A - 一种基于偏振光与地磁组合导航姿态测量方法 - Google Patents

一种基于偏振光与地磁组合导航姿态测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于偏振光与地磁组合导航姿态测量方法，包括S1：建立载体坐标系ObXbYbZb，S2：测量太阳在所述载体坐标系下的太阳方向矢量S3：测量磁场在所述载体坐标系下的磁场强度矢量S4：根据所述载体所在位置和实时时间查询太阳在载体所在处地平坐标系下的太阳方向矢量和所述载体所在处磁场在地平坐标系下的磁场强度矢量S5：利用载体坐标系和地平坐标系之间的姿态转换矩阵分别建立矢量方程以及S6：对步骤S5中的方程进行求解，得到姿态角α，β，γ。本发明提出将地磁矢量测量与偏振光测量技术结合的方法，不仅可以提供完整的姿态信息，且具有不随时间积累发散的特点。

Description

一种基于偏振光与地磁组合导航姿态测量方法
技术领域
本发明涉及的是一种姿态测量方法，具体地说是一种基于偏振光与地磁组合导航姿态测量方法。
背景技术
目前，偏振光、地磁等天然基本物理场均携带方位信息。利用天然的地磁场进行导航的方法具有无源自主，抗干扰能力强，无长期误差积累的特点，但是常见的磁场测量工具受周围环境中磁场的影响较大，并且在地球两极地区地球磁场几乎垂直于地面，因此在很多情况采用此种方法并不可靠。利用大气自然偏振特性携带的方位信息进行导航的方法,有着无线电导航和卫星导航等非自主导航方式所无法具有的隐蔽性、抗干扰性和稳定性,并能够补充天文导航和地磁导航等常规自主导航方式的不足。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于偏振光与地磁组合导航姿态测量方法。本发明主要利用将地磁矢量测量与偏振光测量技术结合的方法。本发明采用的技术手段如下：
一种基于偏振光与地磁组合导航姿态测量方法，包括下述步骤：
S1：在载体上建立载体坐标系ObXbYbZb；
S2：测量所述载体所在处太阳在所述载体坐标系下的太阳方向矢量所述载体所在处太阳在所述载体坐标系下的太阳方向矢量可以由载体坐标系下，天空中任意两个观测点的偏振方向矢量和计算得到，使用偏振光传感器测量所述载体所在位置天空中观测点的太阳散射光的偏振角度θm，且每个观测点对应一个偏振光传感器，每个所述偏振光传感器均建立局部坐标系OmXmYmZm(m＝1，2)，其Ym轴方向与所述偏振光传感器的0°方向一致，根据所述偏振光传感器测量的偏振角度θm得到局部坐标系下每个所述偏振光传感器所对应的观测点的偏振方向矢量
载体坐标系下所述载体所在位置天空中任意两个观测点的偏振方向矢量分别为其中为局部坐标系与所述载体坐标系之间的坐标转换矩阵。坐标转换矩阵为常规数学手段，本发明不做过多描述。
S3：测量所述载体所在处磁场在所述载体坐标系下的磁场强度矢量使用磁力计测量所述载体所在处磁场，且所述磁力计的两个轴向和载体坐标系的任意两个坐标轴方向上重合，所述磁力计测量得到所述载体所在处磁场在所述载体坐标系下的磁场强度矢量中在所述载体坐标系中任意两个坐标轴方向上的分量Mbi，Mbj(i，j＝x，y，z且i≠j)。
S4：根据所述载体所在位置和实时时间查询载体所在处太阳在地平坐标系下的太阳方向矢量和所述载体所在处磁场在地平坐标系下的磁场强度矢量可根据定位模块、太阳矢量查询模块和磁场强度矢量查询模块，实时获得地平坐标系下的太阳方向矢量和磁场强度矢量
S5：利用载体坐标系和地平坐标系之间的姿态转换矩阵分别建立矢量方程以及其中
α，β，γ为所述载体三维姿态角；
S6：对步骤S5中的方程进行求解，得到所述载体在所述载体坐标系下的姿态角α，β，γ。
在所述在步骤S5中提供的矢量方程中可以建立四个独立的方程，但因只需要载体在所述载体坐标系下的姿态角α，β，γ三个未知量，方程是冗余的。为了使定姿的方法更加简单，步骤S3中磁场强度矢量中只需测量两个坐标轴上的分量(i，j＝x，y，z且i≠j)，剩下一个坐标轴上的分量可以不做测量。
本发明具有以下优点：
本文提出将地磁矢量测量与偏振光测量技术结合的方法，不仅可以提供完整的姿态信息，而且在应用场合上与目前存在的航姿参考系统相比，具有不随时间积累发散的特点。
基于上述理由本发明可在导航领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施方式中一种基于偏振光与地磁组合导航姿态测量方法流程图。
图2是本发明具体实施方式中载体上搭建的三棱柱示意图。
图3是本发明具体实施方式中从Z1轴正方向向B面看去的示意图。
图4是本发明具体实施方式中是从Z2轴正方向向C面看去的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图4所示，本实施例所提供的一种基于偏振光与地磁组合导航姿态测量方法中使用了设置在载体上的偏振光传感器Ⅰ、偏振光传感器Ⅱ、磁力计和定位系统，还使用了可以查询太阳矢量的太阳矢量查询模块和可以查询地磁矢量的地磁矢量查询模块，其中太阳矢量查询模块和地磁矢量查询模块可设置在上位计算机中。
一种基于偏振光与地磁组合导航姿态测量方法，包括下述步骤：
S1：在载体上搭建如图2所示三棱柱结构，且所述三棱柱的截面为等要直角三角形，三棱柱的三个侧面A、B、C分别代表：A面表示载体初始状态下的平面，B面和C面分别用以安装偏振光传感器Ⅰ和偏振光传感器Ⅱ，B、C面通过A面与载体固定连接，在A面建立载体坐标系ObXbYbZb(左手系)，Zb轴垂直于A面且正方向与A面的内法线方向一致；Xb在A平面内，垂直于A面与B面的交线且Xb轴正方向与B面的法线方向在A面上的正投影方向相同，Yb轴在A面内，Yb轴垂直于Xb轴，且正方向由左手系确定；
S2：测量所述载体所在处太阳方向在所述载体坐标系下的太阳方向矢量
所述偏振光传感器Ⅰ在B面建立局部坐标系O1X1Y1Z1(左手系)，Y1轴设置在所述B面内垂直于A面和B面的交线，且Y1轴的正方向与Xb轴在B面正投影的方向一致，Z1轴垂直于B面且正方向与B面的外法线方向一致，X1轴在B面内，正方向由左手系确定；所述偏振光传感器Ⅱ在C面建立局部坐标系O2X2Y2Z2(左手系),Y2轴设置在所述C面内垂直于A面和C面的交线，且Y2轴的正方向与Xb轴在C面正投影的方向相反，Z2轴垂直于C面且正方向与C面的外法线方向一致，X2轴在C面内，正方向由左手系确定；偏振光传感器Ⅰ和偏振光传感器Ⅱ的0°方向分别与所述Y1轴和Y2轴的正方向相一致。
所述载体所在处太阳在所述载体坐标系下的太阳方向矢量可以由载体坐标系下，载体所在位置天空中所述偏振光传感器Ⅰ所对应的观测点1和所述偏振光传感器Ⅱ所对应的观测点2的偏振方向矢量和计算得到，
使用偏振光传感器Ⅰ测量所述载体所在位置所述偏振光传感器Ⅰ所对应的观测点1的太阳散射光的偏振角度θ1(偏振光传感器Ⅰ的0°方向与观测点1的最大偏振方向的夹角)；
使用偏振光传感器Ⅱ测量所述载体所在位置所述偏振光传感器Ⅱ所对应的观测点2的太阳散射光的偏振角度θ2(偏振光传感器Ⅱ的0°方向与观测点2的最大偏振方向的夹角)；
如图3所示，偏振光传感器Ⅰ可测得观测点1在所述局部坐标系O1X1Y1Z1中的偏振方向矢量
如图4所示，偏振光传感器Ⅱ可测得观测点2在所述局部坐标系O2X2Y2Z2中的偏振方向矢量
通过局部坐标系O1X1Y1Z1与载体坐标系ObXbYbZb的坐标转换矩阵将观测点1在所述局部坐标系O1X1Y1Z1中的偏振方向矢量转换到载体坐标系ObXbYbZb中得到 其中
通过局部坐标系O2X2Y2Z2与载体坐标系ObXbYbZb的坐标转换矩阵将观测点2在所述局部坐标系O2X2Y2Z2中的偏振方向矢量转换到载体坐标系ObXbYbZb中得到 其中根据上述公式可得到式中T代表矩阵的转置。
S3：测量所述载体所在处磁场在所述载体坐标系下的磁场强度矢量使用磁力计测量所述载体所在处磁场，且所述磁力计的两个轴向分别和载体坐标系的Xb和Yb两个坐标轴方向上重合，所述磁力计测量得到所述载体所在处磁场在所述载体坐标系下的磁场强度矢量中在所述载体坐标系中任意两个坐标轴方向上的分量(i，j＝x，y，z且i≠j)。本实施例中磁力计在Xb轴上的读数为Mbi，即Mbx＝Mbi，在Yb轴上的读数为Mbj，即Mby＝Mbj，在Zb上的读数为未知数(Mbz)；
S4：根据所述载体所在位置和实时时间查询载体所在处太阳在地平坐标系下的太阳方向矢量和所述载体所在处磁场在地平坐标系下的磁场强度矢量可根据定位系统、太阳矢量查询模块和地磁矢量查询模块，实时获得地平坐标系下的太阳方向矢量和磁场强度矢量
S5：利用载体坐标系和地平坐标系之间的姿态转换矩阵分别建立矢量方程以及其中
α，β，γ为所述载体三维姿态角；
S6：对步骤S5中的方程进行求解，得到所述载体在所述载体坐标系下的姿态角α，β，γ。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种基于偏振光与地磁组合导航姿态测量方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1：在载体上建立载体坐标系ObXbYbZb；
S2：测量所述载体所在处太阳在所述载体坐标系下的太阳方向矢量
S3：测量所述载体所在处磁场在所述载体坐标系下的磁场强度矢量
S4：根据所述载体所在位置和实时时间查询载体所在处太阳在地平坐标系下的太阳方向矢量和所述载体所在处磁场在地平坐标系下的磁场强度矢量
S5：利用载体坐标系和地平坐标系之间的姿态转换矩阵分别建立矢量方程以及其中
α，β，γ为所述载体三维姿态角；
S6：对步骤S5中的方程进行求解，得到所述载体在所述载体坐标系下的姿态角α，β，γ。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振光与地磁组合导航姿态测量方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述载体所在处太阳在所述载体坐标系下的太阳方向矢量可以由载体坐标系下，天空中任意两个观测点的偏振方向矢量和计算得到，
3.根据权利要求2所述的一种基于偏振光与地磁组合导航姿态测量方法，其特征在于：使用偏振光传感器测量所述载体所在位置天空中观测点的太阳散射光的偏振角度θm，且每个观测点对应一个偏振光传感器，每个所述偏振光传感器均建立局部坐标系OmXmYmZm(m＝1，2)，其Ym轴方向与所述偏振光传感器的0°方向一致，根据所述偏振光传感器测量的偏振角度θm得到局部坐标系下每个所述偏振光传感器所对应的观测点的偏振方向矢量
载体坐标系下所述载体所在位置天空中任意两个观测点的偏振方向矢量分别为和其中为局部坐标系与所述载体坐标系之间的坐标转换矩阵。
4.根据权利要求1所述的一种基于偏振光与地磁组合导航姿态测量方法，其特征在于：在所述步骤S3中使用磁力计测量所述载体所在处磁场，且所述磁力计的两个轴向和载体坐标系的任意两个坐标轴方向上重合，所述磁力计测量得到所述载体所在处磁场在所述载体坐标系下的磁场强度矢量中在所述载体坐标系中任意两个坐标轴方向上的分量Mbi，Mbj(i，j＝x，y，z且i≠j)。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109974692A (zh) * 2019-03-21 2019-07-05 北京控制工程研究所 一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统及方法
CN110887472A (zh) * 2019-12-09 2020-03-17 北京航空航天大学 一种偏振-地磁信息深度融合全自主姿态解算方法
CN110887477A (zh) * 2019-12-09 2020-03-17 北京航空航天大学 一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的自主定位方法
CN112097777A (zh) * 2020-09-09 2020-12-18 北京空间飞行器总体设计部 基于仿生偏振测角敏感器与磁强计的卫星姿态确定方法
CN112129288A (zh) * 2020-11-24 2020-12-25 中国人民解放军国防科技大学 一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法及系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101149390A (zh) * 2007-11-01 2008-03-26 大连理工大学 一种运动方向角度偏振敏感检测方法和传感器装置
CN103822629A (zh) * 2014-03-11 2014-05-28 大连理工大学 基于多方向偏振光导航传感器的定位系统及其定位方法
CN104374388A (zh) * 2014-11-10 2015-02-25 大连理工大学 一种基于偏振光传感器的航姿测定方法
CN105021188A (zh) * 2015-06-09 2015-11-04 北京航空航天大学 一种双模式仿生偏振/地磁辅助组合导航系统
CN106679645A (zh) * 2016-08-24 2017-05-17 大连理工大学 基于多方向偏振光的实时导航装置
CN108387206A (zh) * 2018-01-23 2018-08-10 北京航空航天大学 一种基于地平线与偏振光的载体三维姿态获取方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101149390A (zh) * 2007-11-01 2008-03-26 大连理工大学 一种运动方向角度偏振敏感检测方法和传感器装置
CN103822629A (zh) * 2014-03-11 2014-05-28 大连理工大学 基于多方向偏振光导航传感器的定位系统及其定位方法
CN104374388A (zh) * 2014-11-10 2015-02-25 大连理工大学 一种基于偏振光传感器的航姿测定方法
CN105021188A (zh) * 2015-06-09 2015-11-04 北京航空航天大学 一种双模式仿生偏振/地磁辅助组合导航系统
CN106679645A (zh) * 2016-08-24 2017-05-17 大连理工大学 基于多方向偏振光的实时导航装置
CN108387206A (zh) * 2018-01-23 2018-08-10 北京航空航天大学 一种基于地平线与偏振光的载体三维姿态获取方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
REN JIANBIN,ET AL: "Polarized Skylight Pattern-Based Approach to Attitude Determination", 《IEEE SENSORS JOURNAL》 *
YINLONG WANG, ET AL: "《A novel autonomous real-time position method based on polarized light and geomagnetic field》", 《SCIENTIFIC REPORTS》 *
ZE LIU, ET AL: "Integrated polarization-dependent sensor for autonomous navigation", 《MEMS MOEMS》 *
范之国等: "利用偏振光 、地磁 、GPS 进行多信息源融合导航方法的研究与实现", 《武汉大学学报》 *
金仁成等: "基于偏振光传感器的全姿态角解算方法研究", 《单片机与嵌入式系统应用》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109974692A (zh) * 2019-03-21 2019-07-05 北京控制工程研究所 一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统及方法
CN109974692B (zh) * 2019-03-21 2021-08-10 北京控制工程研究所 一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统及方法
CN110887472A (zh) * 2019-12-09 2020-03-17 北京航空航天大学 一种偏振-地磁信息深度融合全自主姿态解算方法
CN110887477A (zh) * 2019-12-09 2020-03-17 北京航空航天大学 一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的自主定位方法
CN110887472B (zh) * 2019-12-09 2021-10-22 北京航空航天大学 一种偏振-地磁信息深度融合全自主姿态解算方法
CN112097777A (zh) * 2020-09-09 2020-12-18 北京空间飞行器总体设计部 基于仿生偏振测角敏感器与磁强计的卫星姿态确定方法
CN112129288A (zh) * 2020-11-24 2020-12-25 中国人民解放军国防科技大学 一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法及系统
CN112129288B (zh) * 2020-11-24 2021-02-02 中国人民解放军国防科技大学 一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法及系统

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